Des découvertes qui modifient nos connaissances sur l'importance de la taille du cerveau dans l'intelligence humaine

Notre cerveau ne semble pas si spécial lorsque l'on compare sa taille relative à celle de nos plus proches parents animaux. Pour comprendre l'intelligence humaine, les scientifiques explorent aujourd'hui de nouveaux domaines de recherche.

Arthur Keith est l'un de ces chercheurs qui s'est avéré avoir tort sur de nombreux points. Anatomiste et anthropologue de premier plan au début du XXe siècle, il défendait le racisme scientifique et s'opposait au métissage.

Au moins en partie à cause de ses opinions raciales, il était convaincu que l'homme était originaire d'Europe et non d'Afrique, comme cela est aujourd'hui universellement admis.

Il était également un fervent défenseur de l'homme de Piltdown, un canular notoire impliquant de faux fossiles.

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Keith a également décrit une notion connue sous le nom de Rubicon cérébral. Constatant que les humains ont des cerveaux plus grands que les autres primates, Keith a soutenu que l'intelligence humaine ne devenait possible que lorsque nos cerveaux atteignaient un seuil particulier.

Pour Homo, le genre auquel nous appartenons, Keith pensait que le volume minimum était d'environ 600-750 centimètres cubes. Pour notre espèce, Homo sapiens, ce volume était de 900 centimètres cubes. S'il était plus petit, le cerveau ne disposerait pas d'une puissance de calcul suffisante pour permettre le raisonnement humain.

Il est vrai que l'Homo sapiens, en tant qu'espèce, a un gros cerveau. Mais ce que cela signifie commence à être perçu différemment. Les données paléoanthropologiques suggèrent que certaines espèces, comme Homo floresiensis et Homo naledi, avaient des comportements complexes malgré un cerveau assez petit.

Toutefois, les domaines de la génétique et des neurosciences montrent également que la taille du cerveau est loin d'être le seul facteur déterminant de l'intelligence.

Les changements dans le schéma de câblage du cerveau, dans la forme des neurones, et même dans le moment et l'endroit où certains gènes sont activés, sont tous aussi importants, sinon plus. La taille n'est donc pas tout.

Des personnes intelligentes avec un petit cerveau

Il est vrai que le cerveau humain est exceptionnellement grand. Cela reste vrai même si l'on compare la taille du cerveau à celle du corps.

"L'homme est de loin le primate qui possède le plus gros cerveau", explique le neuroscientifique Martijn van den Heuvel, de la Vrije Université Amsterdam, aux Pays-Bas.

Il est également vrai que si l'on considère les six derniers millions d'années de l'évolution humaine, on constate une tendance à l'augmentation de la taille du cerveau.

Les premiers hominins, tels que Sahelanthropus et Australopithecus, avaient des cerveaux relativement petits, mais les premières espèces d'Homo avaient des cerveaux plus grands, et les cerveaux d'Homo sapiens sont encore plus grands.

Cependant, si l'on regarde de plus près les détails, l'histoire n'est pas si simple. Deux espèces se distinguent par leur cerveau inhabituellement petit : Homo floresiensis, également connu sous le nom de "hobbit", et Homo naledi.

L'Homo floresiensis a été décrit pour la première fois en 2004. Il ne mesurait qu'un mètre et vivait sur l'île de Flores, en Indonésie, depuis quelques centaines de milliers d'années. Il s'est éteint il y a au moins 50 000 ans.

Le plus ancien spécimen avait un cerveau mesurant seulement 380 centimètres cubes ou peut-être 426 centimètres cubes, ce qui le plaçait au même niveau que les chimpanzés.

Il existe des preuves solides que l'Homo floresiensis fabriquait et utilisait des outils en pierre, à l'instar d'autres espèces d'Homo. Les premières études ont également fait état de traces de brûlures, ce qui laisse supposer que les Homo floresiensis maîtrisaient le feu.

Mais des analyses ultérieures ont montré que tous les feux avaient été allumés il y a moins de 41 000 ans, ce qui laisse supposer qu'ils sont le fait d'humains modernes.

Cependant, les outils en pierre prouvent à eux seuls que l'Homo floresiensis avait un comportement que les chimpanzés ne pouvaient pas avoir.

Dix ans plus tard, des chercheurs sud-africains ont décrit l'Homo naledi

Les restes ont été découverts dans les profondeurs du réseau de grottes de Rising Star, qui n'est accessible qu'aux spéléologues expérimentés. Comme les hobbits, l'Homo naledi avait un petit cerveau et vivait récemment, il y a 200 000 à 300 000 ans.

Lee Berger, chercheur principal, et ses collègues ont décrit des traces de suie sur les plafonds des grottes, qu'ils interprètent comme la preuve que l'Homo naledi maîtrisait le feu. On pense qu'ils allumaient des torches pour se déplacer dans l'obscurité des grottes profondes.

En 2021, l'équipe de Berger a décrit le crâne d'un enfant Homo naledi qui semblait avoir été placé sur une formation en forme d'étagère dans une chambre extrêmement inaccessible.

Cette découverte a été interprétée comme un enterrement délibéré. En juillet de la même année, Berger et ses collègues ont affirmé dans une autre publication que plusieurs squelettes avaient été enterrés dans le sol de la grotte, ce qu'ils ont interprété comme une preuve supplémentaire d'un comportement funéraire.

Cette dernière étude a suscité la fureur des paléoanthropologues, en partie parce que Berger a annoncé ses résultats avant que l'article n'ait été soumis au processus habituel d'évaluation scientifique par les pairs, notamment dans un documentaire Netflix très médiatisé intitulé Unknown : Cave of Bones (Inconnu : la grotte aux ossements).

Lorsque d'autres chercheurs ont examiné l'étude, certains se sont montrés extrêmement critiques et ont déclaré que l'étude "ne répondait pas aux normes de notre domaine" et qu'il "manquait une quantité importante d'informations".

Le débat sur les comportements et les capacités de H. floresiensis et de H. naledi, ainsi que sur leur signification en termes de rôle de la taille du cerveau, se poursuivra probablement pendant des années.

Entre-temps, un autre groupe de chercheurs aborde l'évolution du cerveau humain d'une manière différente : au lieu d'examiner des os fossilisés, ils étudient de vrais cerveaux.

Anatomie de l'esprit

La première chose à noter est que, bien qu'en moyenne les humains aient des cerveaux exceptionnellement grands, leur taille varie.

"Il y a des patients dont le cerveau est plus petit", explique la neurobiologiste Debra Silver de l'université Duke à Durham, en Caroline du Nord. Les personnes atteintes de microcéphalie (tête anormalement petite) présentent souvent une déficience intellectuelle et d'autres symptômes. Cependant, selon Debra Silver, "elles restent des êtres humains".

Il existe également des cas de personnes à qui il manque une grande partie du cerveau, mais qui présentent relativement peu d'effets néfastes.

Pesant environ 1,5 kg, le cerveau humain est deux à trois fois plus petit que celui d'un éléphant.

Il est jusqu'à six fois plus petit que le cerveau de certaines baleines et de certains dauphins.

Le cerveau humain contient 86 milliards de neurones et 85 milliards de cellules non neuronales.

Bien qu'il représente environ 2 % de la masse corporelle d'un adulte moyen, le cerveau humain brûle environ 20 % des calories que nous utilisons.

Il est clair qu'il se passe autre chose. L'une des possibilités est le schéma de câblage du cerveau ou "connectome".

Le cerveau humain contient environ 86 milliards de cellules spécialisées appelées neurones, qui se connectent les unes aux autres et envoient des signaux dans les deux sens.

De nombreux neuroscientifiques pensent que les changements dans le schéma des connexions sont plus importants pour le développement de la cognition humaine que quelque chose d'aussi rudimentaire que le volume du cerveau.

"Même de petites modifications de la connectivité, en particulier de la connectivité à longue distance, entraînent de profonds changements cognitifs et comportementaux", explique le neuroscientifique Nenad Sestan, de l'université de Yale à New Haven, dans le Connecticut.

En particulier, certaines parties du cerveau humain reçoivent des informations de nombreuses autres régions. Cela leur permet d'intégrer de multiples informations et de prendre des décisions en conséquence.

Le cortex préfrontal, situé dans la partie frontale la plus externe du cerveau, est l'une de ces régions. Sestan l'appelle "l'exécutif principal du cerveau".

"Un peu plus de ce circuit d'intégration est vraiment bénéfique pour les capacités cognitives humaines", reconnaît M. Van den Heuvel.

Dans une étude publiée en mai, son équipe a montré que les cerveaux des humains et des chimpanzés partagent de nombreux modèles de connectivité, mais que les humains ont une connectivité plus forte entre les régions impliquées dans le langage.

Ces zones intégrées du cerveau ont également été associées à des troubles psychiatriques.

Par exemple, en 2019, l'équipe de Van den Heuvel a montré que les schémas de connectivité trouvés chez les humains, mais pas chez les chimpanzés, étaient souvent associés à un risque accru de schizophrénie. Cela suggère que les humains ont fait un compromis évolutif : une intelligence plus élevée en échange d'un risque plus élevé de mauvaise santé mentale.

De telles données suggèrent que le connectome est important. Mais qu'en est-il des neurones eux-mêmes ? Les neurones humains sont-ils différents de ceux des chimpanzés ?

"La recherche de neurones spécifiques et uniques dans le cerveau humain ne date pas d'hier", explique M. Van den Heuvel.

L'une des premières tentatives a été faite par Constantin von Economo, un neurologue autrichien actif au début du 20e siècle.

Ce scientifique a identifié des neurones fusiformes dans le cortex cérébral humain : ils sont parfois appelés "neurones de von Economo".

Au début, on pensait qu'ils étaient propres à l'homme, explique M. van den Heuvel, "mais plus tard, on a trouvé des neurones de von Economo dans d'autres cerveaux".

Plus récemment, en 2022, Sestan et ses collègues ont étudié les cellules d'une partie du cerveau appelée cortex préfrontal dorsolatéral chez l'homme, le chimpanzé et le singe.

Ils n'ont pu trouver qu'un seul type de cellule propre à l'homme. Il ne s'agissait pas d'un neurone, mais d'une cellule microgliale, qui fait partie du système immunitaire du cerveau. Les cellules étaient apparemment normales, mais elles avaient activé un ensemble unique de gènes.

Le professeur Sestan met en garde contre l'exagération de l'importance de ces résultats. "Je ne pense pas qu'il s'agisse d'un élément clé", déclare-t-il. "Il n'y a aucune raison de penser que les cellules microgliales confèrent des capacités cognitives.

Il est peut-être difficile de trouver des neurones spécifiques à l'homme, mais il est clair que les proportions des différents types de cellules ont changé au cours de notre évolution.

Selon M. Silver, les neurones de von Economo sont plus fréquents chez l'homme et les grands singes que chez les autres primates. "Ils peuvent aider à assumer de nouvelles tâches", suggère-t-il.

Pour comprendre les neurones modifiés dans le cerveau humain, il faut comprendre comment les cellules se développent et croissent. Pour des raisons évidentes, nous ne pouvons pas étudier ce phénomène sur des embryons vivants, mais les chercheurs peuvent étudier les neurones qui se développent en laboratoire.

Ces dernières années, ils ont également cultivé des "organoïdes", c'est-à-dire des groupes de cellules qui imitent la structure et le comportement d'une partie du cerveau en développement.

Ce domaine a donné lieu à une avalanche de découvertes, dont la plupart ne sont pas encore totalement comprises, explique Barbara Treutlein, neurobiologiste du développement à l'ETH de Zurich, en Suisse.

Toutefois, une tendance se dégage clairement. "Chez l'homme, il faut plus de temps pour produire des neurones et pour qu'ils arrivent à maturité", explique-t-elle.

"Chez les chimpanzés, les neurones mûrissent plus rapidement que chez les humains.

Treutlein établit un lien provisoire entre la lenteur de la maturation des neurones et la durée relativement plus longue du développement des bébés humains par rapport aux chimpanzés.

Cependant, il précise également que nous ne pouvons pas encore établir de liens solides entre ses études sur les neurones en développement (qui ne parviennent jamais à imiter le développement au-delà du deuxième trimestre de la grossesse) et le comportement des humains adultes.

Un autre facteur doit être pris en compte : le génome humain et ses effets sur notre cerveau.

Il est bien connu que l'homme et le chimpanzé partagent 99 % de leur ADN. "Mais le fait est que nous ne sommes pas différents des chimpanzés à un pour cent", explique M. Sestan. La différence est bien plus spectaculaire que cela.

Les généticiens ont identifié des parties du génome qui sont propres à l'homme, et nombre d'entre elles semblent remplir des fonctions dans le cerveau.

Par exemple, une étude réalisée en 2019 a analysé des portions spécifiques d'ADN humain et a constaté que nombre d'entre elles avaient des effets sur des cellules connues pour être impliquées dans l'expansion du cerveau.

De même, un gène appelé SRGAP2C est unique au genre Homo. Dans une étude réalisée en 2019, des chercheurs ont exprimé ce gène hominien chez des souris et ont constaté qu'il modifiait leur connectome, créant des connexions supplémentaires entre certaines couches du cortex.

"Il modifie l'activité neuronale et la morphologie des neurones au niveau du circuit", explique M. Silver.

Au cours de l'évolution humaine, de nombreux gènes ont été modifiés.

En février, l'équipe de M. van den Heuvel a publié une chronologie de 13,5 millions de mutations spécifiques à l'homme couvrant les cinq derniers millions d'années, c'est-à-dire avant l'origine de la branche Homo de l'arbre de l'évolution.

Les scientifiques ont constaté deux vagues de mutations spécifiques à l'homme.

La première s'est produite il y a environ 1,9 million d'années, à peu près au moment où l'espèce Homo erectus a évolué. La seconde s'est produite il y a entre 62 000 et 1 500 ans. Selon M. van den Heuvel, les mutations liées à la cognition étaient souvent relativement jeunes.

Il ne s'agit pas seulement de la séquence d'ADN elle-même. Comme le suggère l'étude de Sestan sur les cellules microgliales, il s'agit aussi de savoir quels gènes sont activés dans quelles cellules.

Des changements dans "l'expression des gènes" peuvent donner aux cellules des formes et des comportements fondamentalement différents, même si elles ont le même génome.

La complexité de ce phénomène est vertigineuse. Une étude de 2021 sur l'expression des gènes a révélé que certains gènes importants pour le cerveau peuvent produire 100 protéines chacun, en fonction de leur mode d'expression.

Un gène exprimé chez l'homme en développement, mais pas chez le chimpanzé, contrôle tout un réseau d'autres gènes dont on pense qu'ils sont impliqués dans le développement du cerveau humain.

Dans une étude de 2017, l'équipe de Sestan a comparé l'expression des gènes dans les cerveaux de l'homme, du chimpanzé et du singe.

Les chercheurs ont constaté que certains neurones d'une région du cerveau humain exprimaient des gènes impliqués dans la production de dopamine, une substance chimique du cerveau impliquée dans les sentiments de récompense. Les cellules équivalentes chez les chimpanzés et les singes n'exprimaient pas ces gènes.

"Nous avons cultivé ces neurones", explique M. Sestan. "Ils peuvent produire de la dopamine in vitro.

"Si c'est le cas dans un vrai cerveau, les humains pourraient produire de la dopamine en interne, dans le cortex", ajoute M. Sestan.

Le scientifique évoque une hypothèse intrigante sur ce que cela pourrait signifier. L'homme peut ressentir du plaisir simplement en pensant et en résolvant des problèmes, ce qui pourrait bien être unique.

Si nos neurones corticaux produisent de la dopamine, ils pourraient constituer "un système de récompense pour le simple fait de penser". Toutefois, M. Sestan insiste sur le fait qu'il ne s'agit pour l'instant que de spéculations.

Nous avons parcouru un long chemin depuis la simple comparaison de la taille des cerveaux de différents primates. Les scientifiques étudient désormais les changements dans les séquences génomiques, l'expression des gènes, la forme et le comportement des cellules, ainsi que le schéma de câblage du cerveau.

Ce qui nous manque, c'est de "comprendre comment tous ces éléments, en interaction, deviennent un système et comment ce système façonne notre comportement", explique M. van den Heuvel.

Treutlein et ses collègues ont fait un grand pas dans cette direction en 2019 en publiant un "atlas" de chaque cellule du cerveau humain à un stade précoce de son développement.

En 2023, une équipe de 500 chercheurs de toute l'Europe a annoncé l'achèvement du Human Brain Project, une initiative de dix ans visant à approfondir la structure et la fonction complexes du cerveau.

Un vaste projet en cours, l'Atlas cellulaire humain, vise à exploiter les connaissances acquises jusqu'à présent.

Ses membres ont pour objectif de cartographier chaque type de cellule du corps humain : sa position, sa forme, l'expression de ses gènes, etc. "Il existe de très nombreux types de cellules dans le cerveau", précise M. Treutlein. Le défi consistera à donner un sens à ce vaste ensemble de données.

Bien que ce projet prenne des décennies, il est déjà possible de tirer certaines conclusions sur la taille du cerveau. "Je pense qu'il s'agit d'un facteur parmi d'autres", déclare Silver.